1. pendahuluan untuk mengetahui apakah sampel yang...
TRANSCRIPT
37
PENGGUNAAN HIGH RESOLUTION POWDER DIFFRACTION UNTUK
MENENTUKAN STRUKTUR KRISTAL DAN MAGNETIK PADA SENYAWA
La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 (0 < y < 0,09)
Y.E.Gunanto1*, A.Purwanto2, F.Andika2, H.Mugirahardjo2, W.A.Adi2, B.Kurniawan3, S.Poertadji3.
1Fakultas Pendidikan, Universitas Pelita Harapan, Karawaci, Tangerang 15811 2PTBIN, BATAN, Jl.Raya Puspitek, Serpong, Tangerang 15314 3Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Indonesia, Depok 16424
Abstrak
Telah dianalisis pada suhu ruang dan suhu rendah tentang struktur kristal dan magnetik pada sampel La0,47Ca0,53Mn1-
yCuyO3 dimana 0 < y < 0,09 dengan menggunakan High Resolution Powder Diffraction (HRPD). Didapatkan bahwa pada
suhu ruang maupun suhu rendah, sampel mempunyai struktur kristal orthorhombic dengan space group P nma. Semakin
meningkat nilai x, maka volume kisi semakin besar juga. Pada suhu ruang sampel mempunyai sifat paramagnetik, se-
dangkan pada suhu rendah bersifat antiferromagnetik bercampur ferromagnetik. Nilai momen magnetik akan semakin
kecil seiring meningkatnya nilai x.
Kata kunci : Struktur Kristal dan magnetik, High Resolution Powder Diffraction.
Prosiding Seminar Nasional Hamburan Neutron dan Sinar-X ke 8
Serpong, 4 Oktober 2011
ISSN : 1410-7686
1. PENDAHULUAN
Beberapa tahun terakhir ini, penelitian tentang material
yang didasarkan pada campuran manganat tanah jarang
(manganese rare earth) R1-xAxMnO3 (R=La, Pr; A=Ca,Sr)
sangat intensif dilakukan1-5. Bahkan pendopingan juga dil-
akukan pada atom Mn dengan atom Cu6-8. Material ini
mempunyai prospek yang sangat baik untuk perangkat el-
ektronik dan atau magnetik. Potensial ini didasarkan pada
sifat yang dimiliki bahan tersebut, misalnya coupling of
charge, spin order dan magnetoresistance-nya. Penamba-
han elektron untuk oksida Cu dapat mengubah nilai ratio
Mn3+/Mn4+ yang mempengaruhi nilai momen magnetiknya9
-10. Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan struktur
kristal dan struktur magnetik dari La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 (0
< y < 0,09) dengan menggunakan High-Resolution Powder
Diffraction (HRPD) di Laboratorium Neutron Scattering
BATAN Serpong, Tangerang.
2. EKSPERIMEN
Sampel disiapkan dengan reaksi padatan (solid state
reaction) dari bahan-bahan La2O3, CaCO3, MnO2 dan CuO
dengan kemurnian di atas 99%. Campuran dari bahan-bahan
tersebut mula-mula dimilling selama 5 jam, lalu dipanaskan
dengan suhu 1350oC selama 6 jam. Kemudian dimilling lagi
10 jam dan dipanaskan kembali dengan suhu 1100oC sela-
ma 24 jam.
Untuk mengetahui apakah sampel yang terbentuk sudah
sefase atau belum digunakan XRD. Dari hasil XRD
didapatkan bahwa semua sampel sudah sefase. Langkah
berikutnya dilakukan eksperimen menggunakan HRPD
(λ=1.8223 )di Laboratorium Neutron Scattering BA-
TAN, Serpong, Tangerang. Sampel dimasukkan ke dalam
silinder vanadium yang diletakkan dalam Cryostat helium.
Pengambilan data dilakukan pada sudut hamburan 2,5o –
157o dengan interval 0,05o baik pada suhu kamar maupun
suhu rendah.
Kemungkinan model struktur magnetik yang dimiliki
sampel diturunkan berdasarkan analisis materi11, dan untuk
analisis pola-pola difraksi digunakan program FULL-
PROF12. FULLPROF dapat digunakan untuk memperbaiki
parameter kristalografi dan model struktur magnet secara
bersamaan.
3. HASIL DAN DISKUSI
3.1. Data Mentah Gambar 1 menunjukkan hasil pengkuran XRD pada
suhu ruang, dimana (a) merupakan data mentah yang belum
direfine, sedangkan (b) merupakan hasil refine untuk
La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 0 < y < 0,13. Hasil analisis dengan
menggunakan program RIETAN, menunjukkan bahwa
semua sampel sudah sefase dengan struktur Kristal ortho-
rhombic dengan space group Pnma.
o
A
38
(a)
(b)
Gambar 1. Pola difraksi La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 0 < y <
0,13 (a) data mentah dan (b) hasil refine
3.2 Struktur Kristal
Untuk mengkonfirmasi hasil dari XRD, dilakukan
pengukuran menggunakan HRPD baik pada suhu ruang
maupun suhu rendah. Gambar 2 menunjukkan hasil dari
HRPD. Analisis dengan program Fullproof untuk struktur
kristal sama dengan hasil dari XRD, semua sampel
mempunyai struktur orthorhombic dengan space group
Pnma. Hasil analisis dari HRPD baik pada suhu ruang
maupun suhu rendah dapat dilihat pada table 1 di bawah.
(a) pada suhu ruang
(b) pada suhu 20 K
Gambar 2. Hasil analisis HRPD untuk La0,47Ca0,53MnO3
Tabel 1. Parameter kisi, struktur, space group sampel
La0,47Ca0,53Mn(1-y)Cu(y)O3 hasil HRPD pada (a) suhu
ruang dan (b) rendah.
Secara umum, pendopingan pada posisi-B akan mengubah
perbandingan antara Mn3+/Mn4+ dan interaksi pertukaran
antara Mn-Mn. Parameter kisi dan struktur kristal akan
terpengaruh karena ketidakcocokan dari jari-jari ionik an-
tara ion Mn dan ion pendopingnya8.
Penggunaan High Resolution Powder Diffraction Untuk Menentukan Struktur Kristal dan Magnetik pada Senyawa
La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 (0 < y < 0,09) __________________________________________________________________________________________________
39
Keadaan Cu yang paling stabil adalah Cu2+
dengan radius sekitar 0,73 , lebih besar dari jari-jari ion
Mn3+ (0,645 ) dan ion Mn4+ (0,53 )13. Dengan
demikian pendopingan Cu pada Mn akan membuat ber-
tambah besar volume unit sel. Jika jumlah ion-ion Cu2+
yang menggantikan ion Mn3+ atau Mn4+ semakin banyak,
maka volume unit sel juga akan semakin besar.
Jika diasumsikan ion-ion Cu yang mengisi posisi
Mn hanya mempunyai valensi 2+, maka komposisi
La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 dapat dituliskan sebagai
La0,47Ca0,53Mn3+0,47-2yMn4+
0,53+yCuyO39. Dari perhitungan
yang dilakukan, maka didapatkan jumlah ion-ion Mn4+
berturut-turut sebanyak 53% (x=0), 56% (x=0,02), 61%
(x=0,05) dan 68% (x=0,09).
3.3 Struktur Magnetik
Hasil HRPD sampel La0,47Ca0,53MnO3 pada suhu ruang
dan suhu rendah dapat dilihat pada gambar 3 (a) dan 3 (b).
Pada suhu rendah, muncul sel magnetik. Ini mengindikasi-
kan sampel tersebut mempunyai sifat magnetik pada suhu
rendah. Sifat magnetik yang dimiliki sampel merupakan
antiferomagnetik, dapat terlihat dari adanya ketidaks-
esuaian puncak nuklir dan puncak magnetiknya.
o
A
o
Ao
A
(b)
(a)
Gambar 3. Hasil refine HRPD La0,47Ca 0,53MnO3 pada (a)
T = 300 K (atas) dan (b) T = 13 K (bawah). Kontribusi sel
nuklir (tanpa tanda panah) dan sel magnetik (ditunjukkan
dengan tanda panah).
Pada gambar 3 (c), dapat dilihat bahwa kontribusi sel
magnetik bermanifestasi sebagai kontribusi puncak tamba-
han sel nuklir. Puncak-puncak ini dapat diindek dengan
mengasumsikan bahwa vektor propagasi gelombang mag-
netiknya adalah k1= (½, 0, ½) dan k2=(0.47, 0, 0). Jika
dibandingkan dengan hasil pada suhu 298 K, maka pada
suhu 13 K ada puncak ekstra yang muncul dari kontribusi
sel magnetik La0,47Ca 0,53MnO314. Kami memakai metode
LeBail untuk mengekstrak posisi yang tepat dari kontribusi
magnetik. Posisi yang tepat memungkinkan penentuan
vektor propagasi gelombang magnetik yang sesuai. Hasil
pengindekan adalah sebagai berikut : (i) (½-d 1 0) / (½-d 1
0), (ii) (½-d 0 1) / (½-d 0 -1), (iii) (½-d 1 1) / (½-d -1 -1),
(a) (½ 1 ½) / (½ -1 ½) / (½ 1 -½) / (-½ 1 ½) and (b) (½ 1 3/2) / (½ 1 -3/2) / (3/2 1 1/2) / (-3/2 1 1/2). Oleh karena itu
La0,47Ca 0,53MnO3 mempunyai dua vektor k, yaitu : (½, 0,
½) dan (½-d, 0, 0) dengan d=0.03. Setelah menentukan
vektor propagasi gelombang magnet, kita menentukan
semua struktur magnetik yang dimungkinkan dengan
menggunakan analisis teori grup15.
Gambar 4 dan gambar 5 menunjukkan kemung-
kinan struktur magnetik yang dimiliki space group Pnma
dengan Mn1(0,0,½), Mn2(0, ½,½), Mn3(½,0,0) and Mn4
(½,½,0) untuk k1=(½, 0, ½) and k2=(½-d, 0, 0). Seperti
yang terlihat pada gambar 4 dan 5, La0,47Ca 0,53MnO3
mempunyai struktur magnetik yang lebih komplek. Namun
data kami tidak cukup untuk menyimpulkan mana struktur
magnetik yang tepat.
Gambar 4. Kemungkinan struktur magnetik , La0,47Ca
0,53MnO3 dengan k=(½, 0, ½) yang diturunkan dari analisis
teori grup.
__________________________________________________________________________________________________
Penggunaan High Resolution Powder Diffraction Untuk Menentukan Struktur Kristal dan Magnetik pada Senyawa
La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 (0 < y < 0,09)
40
Gambar 5. Kemungkinan struktur magnetik , La0,47Ca
0,53MnO3 dengan k=(½-d, 0, 0). yangditurunkan dari ana-
lisis teori grup.
Analisis terhadap hasil dari HRPD dengan program
fullprof menunjukkan bahwa nilai momen magnetik akan
semakin kecil seiring dengan bertambahnya doping Cu.
Hal ini juga sesuai dengan hasil yang didapatkan oleh
M.S.Kim dkk9 serta H.-D.Zhou dkk10. Adapun nilai dari
momen magnetik dapat dilihat pada table 2.
Tabel 2. Nilai momen magnetik pada La0,47Ca0,53Mn1-
yCuyO3 (0 < y < 0,09)
Dengan bertambahnya doping Cu, maka jumlah ion-ion
Mn4+ akan bertambah, sehingga akan melemahkan in-
teraksi double exchange antara ion Mn dan Cu.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan paparan di atas, maka dapat disimpulkan se-
bagai berikut :
1. High Resolution Powder Diffraction (HRPD) dapat
digunakan untuk menentukan struktur kristal dan
struktur magnetik dari suatu senyawa.
2. Supaya hasil cukup baik, maka diperlukan jumlah data
yang cukup banyak sehingga diperlukan time beam
yang lebih lama dengan interval sudut yang lebih kecil.
3. Struktur Kristal dari La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 adalah or-
thorhombic dengan space group Pnma.
4. Struktur magnetik dari La0,47Ca0,53Mn1-y CuyO3 adalah
antiferomagnetik yang didapatkan pada suhu rendah.
5. Semakin meningkat doping Cu, maka momen magnetik
semakin kecil.
5. DAFTAR PUSTAKA
1. N. Biškup, A. de Andrés, N. M. Nemes,, M. García-
Hernandez, K. V. Glazyrin and Y. M. Mukovskii,
APPLIED PHYSICS LETTERS 90, 222502 (2007)
2. K. Vijayanandhini and T. R. N. Kutty, J Mater Sci:
Mater Electron (2009) 20:445–454
3. Lev P. Gor’kov, Vladimir Z, and Kresin, Elsevier,
Physics Reports 400 (2004) 149–208
4. Yang Wang, Yu Sui, Xianjie Wang, Yantao Su,
Wenhui Su, Xiaoyang Liu, and Hongjin Fan, J. Phys.
Chem. C 2010, 114, 1491–1497
5. T. J. Sato, J.W. Lynn, and B. Dabrowski,
Phys.Rev.Lett. 93 (2004) 267204
6. S.Yunoki, A.Moreo, E.Dagotto, S.Okamoto,
S.S.Kancharla, and A.Fujimori, Phys.Rev. B 76,
064532 (2007).
7. J.Yang, Y.Li, and Y.P.Lee, Physica Status Solidi (b),
Vol.244, 12, pp. 4546-4549 (2007).
8. M.S.Kim, J.B.Yang, P.E. Parris, Q.Cai, X.D.Zhou,
W.J.James, W.B.Yelon, D.Buddhikot, and S.K.Mali,
J.Appl.Phys. 97, 10H714 (2004).
9. M.S.Kim, J.B.Yang, J.Medvedeva, W.B.Yelon, and
P.E.Paris, J.Phys.:Condens.Matter 20 , 255228
(2008).
10. H.-D.Zhou, G.Li, X.-Y.Xu, S.-J.Feng, T.Qian, and X.
-G.Li, Materials Chemistry and Physics 75, 140-143
(2002).
11. A. S. Wills, Physica B 276 (2000) 680.
12. J. R. Carvajal, Physica B 192 (1993) 55-69
13. R. D. Shannon, Acta Crystallogr., Sect. A: Cryst.
Phys., Diffr., Theor. Gen. Crystallogr. 32, 751 (1976).
14. A.Purwanto, B.Kurniawan, Y.E.Gunanto, A.Fajar,
H.Mugirahardjo, ans W.A.Adi, ICAMPN (2009).
Unpublish.
15. A. S. Wills, Physica B 276 (2000) 680.
__________________________________________________________________________________________________
Penggunaan High Resolution Powder Diffraction Untuk Menentukan Struktur Kristal dan Magnetik pada Senyawa
La0,47Ca0,53Mn1-yCuyO3 (0 < y < 0,09)